磁子转移力矩调控的磁子晶体管和磁子存储器等磁子器件

1.本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种利用磁子转移力矩来翻转磁矩方向的磁子器件，其可以用作例如磁子晶体管或磁子存储器件。


背景技术：

2.传统的磁器件利用电流来操纵磁矩，例如利用自旋极化电流产生的自旋转移力矩(stt)或自旋轨道力矩(sot)来翻转磁层的磁矩方向。这种器件存在一些固有缺陷，例如电流可能会击穿磁性隧道结，以及与电流相关的发热和功耗等问题。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提出一种利用磁子来操纵磁矩的磁子器件。在该磁子器件中，磁子流可以利用例如自旋霍尔效应(she)注入到铁磁绝缘层中，其通过磁子转移力矩(magnon transfer torque，mtt)效应来翻转铁磁绝缘层的磁矩。另一方面，注入的磁子流可以利用逆自旋霍尔效应(ishe)而被检测到。在该磁子器件中，通过构造平行或反平行磁矩结构，可以控制磁子流的导通或截止。
4.根据一实施例，提供一种基于磁子转移力矩(mtt)的磁子器件(magnonic device)，包括：第一自旋霍尔效应层；形成在所述第一自旋霍尔效应层上的第一铁磁绝缘层；形成在所述第一铁磁绝缘层上的反铁磁绝缘层；形成在所述反铁磁绝缘层上的第二铁磁绝缘层；以及形成在所述第二铁磁绝缘层上的第二自旋霍尔效应层。
5.在一实施例中，所述第二铁磁绝缘层具有固定的面内磁矩，所述第一铁磁绝缘层具有可翻转的面内磁矩，以与所述第二铁磁绝缘层的磁矩平行或反平行排列。
6.在一实施例中，所述第一自旋霍尔效应层配置为接收面内写入电流和面内读取电流，所述面内写入电流的方向基本垂直于或者平行或反平行于所述第一铁磁绝缘层和所述第二铁磁绝缘层的磁矩方向，所述面内读取电流的方向基本垂直于所述第一铁磁绝缘层和所述第二铁磁绝缘层的磁矩方向。
7.在一实施例中，当所述面内写入电流的方向基本平行或反平行于所述第一铁磁绝缘层和所述第二铁磁绝缘层的磁矩方向时，所述第一自旋霍尔效应层由具有自旋霍尔效应的反铁磁材料形成，以向所述第一铁磁绝缘层施加偏置磁场，所述偏置磁场基本垂直于所述第一铁磁绝缘层。
8.在一实施例中，当所述面内写入电流的方向基本平行或反平行于所述第一铁磁绝缘层和所述第二铁磁绝缘层的磁矩方向时，所述磁子器件还包括：形成在所述第一自旋霍尔效应层的与所述第一铁磁绝缘层相反一侧的偏置磁层，所述偏置磁层向所述第一铁磁绝缘层施加一偏置磁场，所述偏置磁场基本垂直于所述第一铁磁绝缘层。
9.在一实施例中，所述磁子器件用作磁子晶体管(magnon transistor)或磁子存储器件(magnon memory)。
10.根据一实施例，提供一种操作上述磁子器件的方法，包括：写入时，向所述第一自
旋霍尔效应层施加面内写入电流，以使所述第一铁磁绝缘层的磁矩翻转为与所述第二铁磁绝缘层的磁矩平行或反平行；以及读取时，向所述第一自旋霍尔效应层施加面内读取电流，并且检测所述第二自旋霍尔效应层上是否存在感应电流。
11.在一实施例中，所述第一铁磁绝缘层和所述第二铁磁绝缘层具有面内磁矩，所述面内写入电流的方向基本垂直或者平行或反平行于所述第一铁磁绝缘层和所述第二铁磁绝缘层的磁矩方向，所述面内读取电流的方向基本垂直于所述第一铁磁绝缘层和所述第二铁磁绝缘层的磁矩方向。
12.在一实施例中，所述感应电流的方向平行或反平行于向所述第一自旋霍尔效应层施加的面内读取电流。
13.在一实施例中，检测所述第二自旋霍尔效应层上是否存在感应电流包括：当在所述第二自旋霍尔效应层上检测到感应电流时，则确定所述第一铁磁绝缘层和所述第二铁磁绝缘层的磁矩处于平行态；以及当在所述第二自旋霍尔效应层上没有检测到感应电流时，则确定所述第一铁磁绝缘层和所述第二铁磁绝缘层的磁矩处于反平行态。
14.本发明的磁子器件可以避免或减小与电流相关的击穿、发热以及功耗等问题，改善了器件的耐用性和稳定性，因此具有很高的应用前景。
15.本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述变得显而易见。
附图说明
16.图1是根据本发明一实施例的磁子器件的结构示意图。
17.图2a和2b是图1所示的磁子器件的写入操作示意图。
18.图3是图1所示的磁子器件的读取操作示意图。
19.图4是根据本发明另一实施例的磁子器件的结构示意图。
具体实施方式
20.下面，将参考附图详细地描述根据本技术的示例实施例。注意，附图可能不是按比例绘制的。显然，所描述的实施例仅仅是本技术的一部分实施例，而不是本技术的全部实施例，本技术不受这里描述的示例实施例的限制。
21.图1是根据本发明一实施例的磁子器件100的结构示意图。参照图1，磁子器件100可包括依次形成在衬底(未示出)上的第一自旋霍尔效应(she)层110、第一铁磁绝缘层120、反铁磁绝缘层130、第二铁磁绝缘层140、以及第二自旋霍尔效应(she)层150。
22.顾名思义，自旋霍尔效应层就是由具有自旋霍尔效应的材料形成的层，这种材料具有较强的自旋轨道耦合，从而在电流流过其时，能在其表面产生并累积自旋流。自旋霍尔效应材料的示例包括但不限于诸如pt、au、ta、pd、ir、w、bi、pb、hf、irmn、ptmn、aumn之类的金属或合金，以及诸如bi2se3和bi2te3之类的拓扑绝缘体等材料。
23.在图1所示的实施例中，第一自旋霍尔效应层110可由上述自旋霍尔效应材料中的一种或多种形成。特别地，当第一自旋霍尔效应层110由具有自旋霍尔效应的反铁磁材料例如irmn、ptmn、aumn形成时，其可以向第一铁磁绝缘层120施加一偏置磁场，例如图2b所示的偏置磁场hb，其可以基本垂直于第一铁磁绝缘层120，这将在下面进一步详细描述。第一自
旋霍尔效应层110的厚度可以在例如0.5nm至50nm的范围内，优选地在0.8nm至20nm的范围内，更优选地在1.0nm至10nm的范围内。
24.第一铁磁绝缘层120和第二铁磁绝缘层140每个可由铁磁绝缘材料形成，这种材料的示例包括fe3o4、石榴石型铁氧体(yig)材料r3fe5o
12
、尖晶石型铁氧体材料mfe2o4、磁铅石型铁氧体材料afe
12o19
以及它们的掺杂化合物，其中r是y、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb或lu，m是mn、zn、cu、ni、mg或co，a是ba或sr。可以理解，第一铁磁绝缘层120和第二铁磁绝缘层140可以由相同或不同的材料形成，且二者可以具有相同或不同的厚度。
25.反铁磁绝缘层130可以由反铁磁绝缘材料形成，其示例包括nio、coo等。可以适当选择第一铁磁绝缘层120、反铁磁绝缘层130和第二铁磁绝缘层140的材料和厚度，使得磁子流(或者称为自旋波)可以从第一自旋霍尔效应层110传导到第二自旋霍尔效应层150，如下面将进一步详细描述的那样。
26.第二自旋霍尔效应层150也可由上述自旋霍尔效应材料形成，其示例包括上面描述的诸如pt、au、ta、pd、ir、w、bi、pb、hf、irmn、ptmn、aumn之类的金属或合金，以及诸如bi2se3和bi2te3之类的拓扑绝缘体等材料。第二自旋霍尔效应层150的厚度可以在例如0.5nm至50nm的范围内，优选地在0.8nm至20nm的范围内，更优选地在1.0nm至10nm的范围内。可以理解，第一自旋霍尔效应层110和第二自旋霍尔效应层150可以由相同或不同的材料形成，且二者可以具有相同或不同的厚度。
27.上面参照图1论述了磁子器件100的基本结构，下面结合图2a、图2b和图3来论述磁子器件100的操作原理。如从下面的描述可以理解的那样，磁子器件100可以用作例如磁子晶体管或者磁子存储器件。
28.首先参照图2a，其示意性示出了磁子器件100的一种写入(或者称为设置)操作。如图2a所示，第一铁磁绝缘层120具有可翻转的面内磁矩，如双向虚线箭头所示，因此也可以称为自由磁层；第二铁磁绝缘层140具有在运行期间固定不变的面内磁矩，如单向实线箭头所示，因此也可以称为参考磁层。通过翻转第一铁磁绝缘层120的磁矩，可以使第一铁磁绝缘层120和第二铁磁绝缘层140的磁矩彼此平行或反平行排列。可以理解，为了使第二铁磁绝缘层140的磁矩固定不变，可以使第二铁磁绝缘层140具有较大的厚度，从而具有较大的、不易受外界影响而变化的磁矩，或者第二自旋霍尔效应层150可以由反铁磁材料形成，从而可以将第二铁磁绝缘层140的磁矩钉扎在期望的方向上。
29.在进行写入操作时，可以向第一自旋霍尔效应层110施加面内写入电流iw，如图2a中的空心箭头所示。面内写入电流iw可以基本垂直于第一铁磁绝缘层120和第二铁磁绝缘层140的磁矩方向，或者说易磁化轴方向。当施加有写入电流iw时，由于自旋霍尔效应，在第一自旋霍尔效应层110的表面处产生并积累大量自旋极化电荷，也称为自旋流。由于和第一自旋霍尔效应层110相邻的第一铁磁绝缘层120由绝缘材料形成，所以在第一自旋霍尔效应层110和第一铁磁绝缘层120之间的界面处积累的自旋极化电荷并不能扩散到第一铁磁绝缘层120中。但是，自旋极化电荷可以与第一铁磁绝缘层120中的d电子耦合，产生磁子(magnon)，也可以称为磁振子或者自旋波，如图2a中带箭头的圆圈所示，并且产生的磁子可以从第一铁磁绝缘层120与第一自旋霍尔效应层110的界面朝向第一铁磁绝缘层120的另一侧扩散。所产生的磁子的极化方向可以根据向第一自旋霍尔效应层110施加的面内写入电流iw的方向以及形成第一自旋霍尔效应层110的自旋霍尔效应材料的自旋霍尔角的符号，
通过右手定则来确定。也就是说，在图2a所示的实施例中，沿y轴(正或负)方向向第一自旋霍尔效应层110施加面内写入电流iw时，产生的磁子的自旋极化方向可以在x轴(正或负)方向上。在第一铁磁绝缘层120中产生的磁子可以向第一铁磁绝缘层120的磁矩施加一磁子转移力矩(mtt)，该力矩倾向于使第一铁磁绝缘层120的磁矩翻转到与磁子极化方向一致的方向上来。当向第一自旋霍尔效应层110施加的面内写入电流iw的密度足够大，产生足够强的磁子转移力矩时，即可将第一铁磁绝缘层120的磁矩翻转到期望的方向上，即与磁子极化方向相同的方向上。可以通过控制面内写入电流iw的方向，例如是正y轴方向还是负y轴方向，来控制第一铁磁绝缘层120的磁矩翻转方向，使得第一铁磁绝缘层120的磁矩与第二铁磁绝缘层140的磁矩彼此平行或反平行排列，从而完成写入操作。
30.图2b示出另一种写入方式。应理解，在上面图2a所示的写入方式中，第一自旋霍尔效应层110可以或可以不向第一铁磁绝缘层120施加偏置磁场，此时基本垂直于第一铁磁绝缘层120磁矩方向的面内写入电流iw都可以翻转第一铁磁绝缘层120的磁矩方向。在图2b所示的实施例中，第一自旋霍尔效应层110可以由反铁磁材料形成，并且其向第一铁磁绝缘层120施加一偏置磁场hb，该偏置磁场hb的方向可以基本垂直于第一铁磁绝缘层120。在图2b的示例中，第一铁磁绝缘层120和第二铁磁绝缘层140在x-y平面内，其磁矩方向在x轴方向上，此时偏置磁场hb可以在z轴方向上。
31.继续参照图2b，在进行写入操作时，向第一自旋霍尔效应层110施加的面内写入电流iw可以基本平行或反平行于第一铁磁绝缘层120和第二铁磁绝缘层140的磁矩方向，或者说易磁化轴方向。此时，与上面参照图2a描述的原理相同，在第一铁磁绝缘层120中也会激发产生磁子(magnon)，其极化方向通过右手定则可确定为与第一铁磁绝缘层120的面内磁矩方向垂直，在y轴方向上，如图2b中带箭头的圆圈所示。在磁子产生的磁子转移力矩(mtt)和偏置磁场hb的共同作用下，可使第一铁磁绝缘层120的磁矩发生翻转。可以通过控制面内写入电流iw的方向，例如是正x轴方向还是负x轴方向，来控制第一铁磁绝缘层120的磁矩翻转方向，使得第一铁磁绝缘层120的磁矩与第二铁磁绝缘层140的磁矩彼此平行或反平行排列，从而完成写入操作。
32.下面参照图3来描述读取(或者说运行)操作。如图3所示，读取时，向第一自旋霍尔效应层110施加面内读取电流ir。与前面关于写入电流iw描述的原理类似，读取电流ir也会产生从第一铁磁绝缘层120向第二铁磁绝缘层140扩散的磁子流，但是读取电流ir的密度可以小于写入电流iw的密度，从而读取电流ir不会导致第一铁磁绝缘层120的磁矩被翻转。应理解，形成反铁磁绝缘层130的反铁磁材料是磁子的良导体，因此所产生的磁子流能经由反铁磁绝缘层130朝向第二铁磁绝缘层140传导。
33.此时，应注意，类似于自旋极化电流的磁致电阻效应，第一铁磁绝缘层120和第二铁磁绝缘层140的平行和反平行磁矩排列也会对磁子流的传导产生影响。具体而言，当第一铁磁绝缘层120和第二铁磁绝缘层140的磁矩平行排列时，磁子流可以顺利传导到第二铁磁绝缘层140中，进而到达第二铁磁绝缘层140与第二自旋霍尔效应层150的界面；当第一铁磁绝缘层120和第二铁磁绝缘层140的磁矩反平行排列时，经由第一铁磁绝缘层120和反铁磁绝缘层130传导的磁子流在反铁磁绝缘层130和第二铁磁绝缘层140的界面处会被散射，因此不能传导到第二自旋霍尔效应层150。
34.继续参照图3，当读取电流ir产生的磁子流传导到第二自旋霍尔效应层150处时，
在第二自旋霍尔效应层150中通过逆自旋霍尔效应(ishe)，可产生感应电流i
ind
。可以理解，感应电流i
ind
的方向取决于形成第一自旋霍尔效应层110和第二自旋霍尔效应层150的材料的自旋霍尔角的符号。如果形成第一自旋霍尔效应层110和第二自旋霍尔效应层150的材料的自旋霍尔角符号彼此相同，例如都为正值或负值，则产生的感应电流i
ind
的方向与读取电流ir的方向相反；如果形成第一自旋霍尔效应层110和第二自旋霍尔效应层150的材料的自旋霍尔角符号彼此相反，例如一个为正值而另一个为负值，则产生的感应电流i
ind
的方向可以与读取电流ir的方向相同。
35.因此，当向第一自旋霍尔效应层110施加读取电流ir时，可以检测第二自旋霍尔效应层150上是否产生感应电流i
ind
。如果检测到感应电流i
ind
，则可以确定第一铁磁绝缘层120和第二铁磁绝缘层140的磁矩呈平行排列，其可以对应于数据“0”或“1”；如果没有检测到感应电流i
ind
，则可以确定第一铁磁绝缘层120和第二铁磁绝缘层140的磁矩呈反平行排列，其可以对应于数据“1”或“0”。基于该原理，图2所示的磁子器件100可以用作磁存储器件。
36.应注意，无论面内写入电流iw是垂直于还是平行或反平行于第一铁磁绝缘层120和第二铁磁绝缘层140的磁矩，读取电流ir都应垂直于第一铁磁绝缘层120和第二铁磁绝缘层140的磁矩，使得第一铁磁绝缘层120和第二铁磁绝缘层140的磁矩的平行和反平行配置可以调控(导通或关断)读取电流ir产生的磁子流的垂直方向(z轴方向)传输，如上面描述的那样。
37.此外，基于上述原理，图2a和2b所示的磁子器件100还可以用作磁子晶体管。具体而言，当第一铁磁绝缘层120和第二铁磁绝缘层140的磁矩呈平行排列时，向第一自旋霍尔效应层110施加读取(或者说控制)电流ir，在第二自旋霍尔效应层150上会有感应(或者说工作)电流i
ind
，这对应于磁子晶体管的导通状态。当第一铁磁绝缘层120和第二铁磁绝缘层140的磁矩呈反平行排列时，向第一自旋霍尔效应层110施加读取(或者说控制)电流ir，在第二自旋霍尔效应层150上也没有感应(或者说工作)电流i
ind
，这对应于磁子晶体管的截止状态。如前所述，可以通过向第一自旋霍尔效应层110施加设置(或者说写入)电流iw，可以将磁子晶体管100设置为导通状态或者截止状态。
38.图4是根据本发明另一实施例的磁子器件200的结构示意图。在磁子器件200中，可以在第一自旋霍尔效应层110的与第一铁磁绝缘层120相反的一侧形成偏置磁层102。偏置磁层102可以具有垂直磁各向异性，其通过层间耦合或者交换耦合作用，向第一铁磁绝缘层120施加前述垂直偏置磁场hb。此时，形成第一自旋霍尔效应层110的材料可以不是反铁磁材料，而是一般的非磁自旋霍尔效应材料，如前面列出的那些，因为此时可以不再需要第一自旋霍尔效应层110来向第一铁磁绝缘层120施加偏置磁场hb。磁子器件200的其他方面与磁子器件100相同，这里不再重复描述。
39.在本发明中，通过利用磁子转移力矩(mtt)来翻转铁磁绝缘层的磁矩，可以避免或减小与电流相关的击穿、发热以及功耗等问题，改善了器件的耐用性和稳定性。此外，通过在绝缘结构一侧利用自旋霍尔效应来注入磁子流，在相对侧利用逆自旋霍尔效应来检测磁子流，实现了绝缘结构两侧的电信号的电隔离，这有助于避免电信号之间的相互影响。因此，本发明的磁子器件在磁子晶体管、磁子存储器件等方面具有很高的应用前景。
40.以上结合具体实施例描述了本技术的基本原理，但是，需要指出的是，在本技术中
提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本技术的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本技术为必须采用上述具体的细节来实现。
41.本技术中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
42.还需要指出的是，在本技术的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本技术的等效方案。
43.提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本技术。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本技术的范围。因此，本技术不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
44.为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本技术的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。